Synthesis of unstable cyclic peroxides for chemiluminescence studies

Cyclic four-membered ring peroxides are important high-energy intermediates in a variety of chemi and bioluminescence transformations. Specifically, α-peroxylactones (1,2-dioxetanones) have been considered as model systems for efficient firefly bioluminescence. However, the preparation of such highly unstable compounds is extremely difficult and, therefore, only few research groups have been able to study the properties of these substances. In this study, the synthesis, purification and characterization of three 1,2-dioxetanones are reported and a detailed procedure for the known synthesis of diphenoyl peroxide, another important model compound for the chemical generation of electronically excited states, is provided. For most of these peroxides, the complete spectroscopic characterization is reported here for the first time.

Development of muliplexed analytical methods based on bioluminescent whole-cell biosensors

The subject of this Ph.D. research thesis is the development and application of multiplexed analytical methods based on bioluminescent whole-cell biosensors. One of the main goals of analytical chemistry is multianalyte testing in which two or more analytes are measured simultaneously in a single assay. The advantages of multianalyte testing are work simplification, high throughput, and reduction in the overall cost per test. The availability of multiplexed portable analytical systems is of particular interest for on-field analysis of clinical, environmental or food samples as well as for the drug discovery process. To allow highly sensitive and selective analysis, these devices should combine biospecific molecular recognition with ultrasensitive detection systems. To address the current need for rapid, highly sensitive and inexpensive devices for obtaining more data from each sample,genetically engineered whole-cell biosensors as biospecific recognition element were combined with ultrasensitive bioluminescence detection techniques. Genetically engineered cell-based sensing systems were obtained by introducing into bacterial, yeast or mammalian cells a vector expressing a reporter protein whose expression is controlled by regulatory proteins and promoter sequences. The regulatory protein is able to recognize the presence of the analyte (e.g., compounds with hormone-like activity, heavy metals…) and to consequently activate the expression of the reporter protein that can be readily measured and directly related to the analyte bioavailable concentration in the sample. Bioluminescence represents the ideal detection principle for miniaturized analytical devices and multiplexed assays thanks to high detectability in small sample volumes allowing an accurate signal localization and quantification. In the first chapter of this dissertation is discussed the obtainment of improved bioluminescent proteins emitting at different wavelenghts, in term of increased thermostability, enhanced emission decay kinetic and spectral resolution. The second chapter is mainly focused on the use of these proteins in the development of whole-cell based assay with improved analytical performance. In particular since the main drawback of whole-cell biosensors is the high variability of their analyte specific response mainly caused by variations in cell viability due to aspecific effects of the sample’s matrix, an additional bioluminescent reporter has been introduced to correct the analytical response thus increasing the robustness of the bioassays. The feasibility of using a combination of two or more bioluminescent proteins for obtaining biosensors with internal signal correction or for the simultaneous detection of multiple analytes has been demonstrated by developing a dual reporter yeast based biosensor for androgenic activity measurement and a triple reporter mammalian cell-based biosensor for the simultaneous monitoring of two CYP450 enzymes activation, involved in cholesterol degradation, with the use of two spectrally resolved intracellular luciferases and a secreted luciferase as a control for cells viability. In the third chapter is presented the development of a portable multianalyte detection system. In order to develop a portable system that can be used also outside the laboratory environment even by non skilled personnel, cells have been immobilized into a new biocompatible and transparent polymeric matrix within a modified clear bottom black 384 -well microtiter plate to obtain a bioluminescent cell array. The cell array was placed in contact with a portable charge-coupled device (CCD) light sensor able to localize and quantify the luminescent signal produced by different bioluminescent whole-cell biosensors. This multiplexed biosensing platform containing whole-cell biosensors was successfully used to measure the overall toxicity of a given sample as well as to obtain dose response curves for heavy metals and to detect hormonal activity in clinical samples (PCT/IB2010/050625: “Portable device based on immobilized cells for the detection of analytes.” Michelini E, Roda A, Dolci LS, Mezzanotte L, Cevenini L , 2010). At the end of the dissertation some future development steps are also discussed in order to develop a point of care (POCT) device that combine portability, minimum sample pre-treatment and highly sensitive multiplexed assays in a short assay time. In this POCT perspective, field-flow fractionation (FFF) techniques, in particular gravitational variant (GrFFF) that exploit the earth gravitational field to structure the separation, have been investigated for cells fractionation, characterization and isolation. Thanks to the simplicity of its equipment, amenable to miniaturization, the GrFFF techniques appears to be particularly suited for its implementation in POCT devices and may be used as pre-analytical integrated module to be applied directly to drive target analytes of raw samples to the modules where biospecifc recognition reactions based on ultrasensitive bioluminescence detection occurs, providing an increase in overall analytical output.

Valutazione preclinica di nuovi potenziali bersagli terapeutici per la cura del medulloblastoma.

Il medulloblastoma (MB) è il tumore più comune del sistema nervoso centrale. Attualmente si riesce a curare solo il 50-60% dei pazienti che tuttavia presentano gravi effetti collaterali dovuti alle cure molto aggressive. Una recente classificazione molecolare ha ridistribuito le varianti più comuni di MB in quattro distinti gruppi. In particolare, il gruppo SHH e D sono caratterizzati da un’ alta espressione di MYCN ed associati a prognosi sfavorevole. MYCN è coinvolto nella regolazione della proliferazione cellulare, differenziazione, apoptosi, angiogenesi e metastasi. L’obiettivo di questo lavoro è la valutazione dell’attività antitumorale di oligonucleotidi diretti contro MYCN, sia in vitro su diverse linee cellulari di MB che in vivo in modelli murini xenograft ortotopici di MB. I risultati hanno dimostrato un’ottima inibizione della crescita in linee cellulari di MB, accompagnata da una riduzione della trascrizione genica e dei livelli proteici di MYCN. Inoltre, sono stati confermati tramite RT-PCR alcuni dei geni trovati significativamente variati nell’esperimento di microarray , dopo il trattamento. Molto interessanti sono stati geni quali BIRC5, che risulta down regolato mentre il gene p21 risulta up regolato in tutte le linee cellulari di MB utilizzate. Inoltre, sono stati generati modelli murini di MB utilizzando cellule precedentemente trasfettate per esprimere il gene della luciferasi e valutarne così la crescita tumorale tramite imaging bioluminescente in vivo (BLI), al fine di poter testare l’attività antitumorale data dagli oligonucleotidi. I risultati hanno dimostrato una buona risposta al trattamento come rilevato dalla tecnica di BLI. I dati preliminari prodotti, dimostrano che MYCN potrebbe esser un buon target per la terapia del MB nei casi in cui è overespresso. In particolare, una sua inibizione potrebbe presentare effetti indesiderati moderati in quanto è poco espresso dopo la nascita.

Ein neues Lumineszenzverfahren zur quantitativen und räumlichen Darstellung von Produkten des Glukosestoffwechsels in Tumoren

Eine neue auf einer Pyruvat abhängigen Biolumineszenzreaktion basierende Methode zur quantitativen Bestimmung und räumlichen Darstellung von Pyruvat in Gefrierschnitten von Gewebeproben wurde entwickelt. Dabei wurden biochemische Reaktionen so verknüpft, dass sichtbares Licht proportional zum eingesetzten Pyruvatgehalt entstand. Eine hoch signifikante positive Korrelation beider Parameter ermöglichte eine Kalibrierung mit definierten Pyruvatgehalten und damit die Quantifizierung in unbekannten Proben. Die Nachweisgrenze lag bei 0,04 pmol Pyruvat mit einer Auflösung von 0,02 µmol/g. Das Biolumineszenzverfahren wurde mit Hilfe anderer Methoden validiert, wobei eine Wiederfindung mit einer konzentrationsabhängigen Abweichung von ≤ 15 % erzielt wurde. Ein wesentlicher Vorteil der neuen Methode gegenüber bisherigen Verfahren zum Pyruvatnachweis liegt in der Messwerterfassung definierter histologischer Gewebsareale. Dies wird durch computergesteuerte Überlagerung von Metabolitverteilungen mit Schnittbildern aus Strukturfärbungen und interaktiver, „optischer Mikrodissektion“ der Gewebeschnitte möglich. Ein weiterer Nutzen der Methode ist deren optionale Kombination mit der Biolumineszenztechnik für andere Stoffwechselprodukte. So ermöglicht eine exakte Superposition zweier Metabolitbilder von unmittelbar aufeinander folgenden Gewebeschnitten eine korrelative Kolokalisationsanalyse beider Metabolite. Das Ergebnis lässt sich zum einen in Form von „Pixel-zu-Pixel“-Korrelationen dokumentieren, zum anderen kann für jeden Bildpunkt ein Laktat/Pyruvat-Verhältnis als Maß für den Redoxzustand des Gewebes berechnet und dargestellt werden. Hieraus ergeben sich z.B. räumliche L/P-Verteilungen (L/P-Karten). Ein solches „Redoximaging“ durch Kartierung des L/P-Quotienten ist bislang mit keinem anderen Verfahren möglich. Während die Entwicklung des Pyruvatnachweises eine Kernaufgabe der vorliegenden Arbeit darstellte, bestand ein weiterer wesentlicher Teil in der praktischen Anwendung der neuen Methode im Bereich der experimentellen Tumorforschung. So ergaben Messungen an acht verschiedenen Linien von humanen HNSCC-Xenotransplantaten (n = 70 Tumoren) einen mittleren Pyruvatgehalt von 1,24 ± 0,20 µmol/g. In sechs Humanbiopsien derselben Tumorentität wurde ein durchschnittlicher Pyruvatgehalt von 0,41 ± 0,09 µmol/g gemessen. Bei den Xenotransplantaten konnte eine signifikante positive Korrelation zwischen der Summe aus Laktat und Pyruvat bzw. dem L/P Verhältnis und der Strahlensensibilität gefunden werden, wobei das L/P-Verhältnis ebenso wie die Summe aus Laktat und Pyruvat maßgeblich von Laktat bestimmt wurden. Der Zusammenhang der Metabolite mit der Strahlensensibilität lässt sich durch deren antioxidative Eigenschaften erklären. Da der Redoxzustand der Zelle kritisch bezüglich der Effizienz von ROS induzierenden Therapieansätzen, wie z.B. Bestrahlung oder bestimmter Chemotherapeutika sein kann, könnte die Bestimmung des L/P Verhältnisses als prognostischer Faktor prädiktive Aussagen über die Sensibilität gegenüber solchen Behandlungen erlauben.

Klonierung und Charakterisierung der Luziferase und des Luziferin regenerierenden Enzyms aus dem marinen Schwamm Suberites domuncula

Bereits 1971 erkannte Reiswig bei einigen Schwämmen in der Kontraktion des Osculums eine Reaktion auf Licht. Nachfolgend konnte für eine Reihe von Schwämmen die Existenz von Lichtreaktionen beobachtet werden (Wapstra & van Soest, 1987). In dieser Arbeit sollten Gene eines Luziferin/Luziferase Systems im marinen Schwamm Suberites domuncula identifiziert werden, die eine Rolle bei der Bio¬lumineszenz spielen. Mit Hilfe der PCR-Technik konnten die in der cDNA-Bank identifizierten Fragmente einer Luziferase und eines Luziferin regenerierenden Enzyms erfolgreich vervollständigt, kloniert und analysiert werden. Datenbank¬analysen der abgeleiteten Aminosäuresequenzen ergeben sowohl für die Luziferase als auch für das Luziferin regenerierende Enzym Ähnlichkeiten zu den entsprechenden Proteinen aus Leuchtkäfern, wie z. B. Photinus pyralis. Ausgehend von der cDNA wurden zunächst beide Enzyme in E. coli rekombinant exprimiert und affinitätschromatographisch aufgereinigt. Für die Luziferase gelang es, spezifische Antikörper herzustellen, die im Anschluss an den im Western Blot durchgeführten Nachweis eine Identifizierung in histologischen Schwamm¬schnitten ermöglichte. Weitere Analysen konnten für Suberites domuncula sowohl im Schwammgewebe, im Proteinextrakt als auch für das rekombinante Protein die Licht-generierende Fähigkeit nachweisen. Das ermittelte in vitro Biolumineszenz-Emissionsspektrum der rekombinanten Luziferase weist eine Lichtemission im gelb-grünen Bereich des Spektrums mit einem Maximum bei 548 nm und einer Schulter bei 590 nm auf. Ausserdem bestätigte die Funktionanalyse des rekombinanten Enzyms die für Luziferasen bekannte ATP- und Temperatur¬abhängigkeit sowie den stimulierenden Effekt von Coenzym A. Die Existenz einer bioaktiven Luziferase in einem der ältesten, rezent vertretenen Metazoa deutet darauf hin, dass sich die Oxygenasefunktion der Luziferasen bereits früher entwickelte, als bisher von Viviani* vermutet. Die bisherigen Daten über die optischen Eigenschaften der Spiculae liefern gemeinsam mit den Ergebnissen dieser Arbeit – einer Licht-emittierenden Luziferase in S. domuncula – die Voraussetzungen für die mögliche Existenz eines Photorezeptionssystems in Schwämmen.

Die Rolle des Fibronektins bei der Entstehung und dem Wachstum von Tumoren

Diese Arbeit befasst sich mit der Rolle des Fibronektins für die Entstehung und des Wachstums von Knochenmetastasen. rnrnTumorzellspezifische Faktoren bereiten entfernte Gewebe auf die Besiedelung durch disseminierte Tumorzellen vor. Dabei wird Fibronektin im Bereich der prämetastatischen Nische vermehrt gebildet. Dies führte zu der Annahme, dass Fibronektin eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Tumoren einnimmt. Um die Bedeutung des Fibronektins bezüglich des Metastasierungsprozesses näher zu charakterisieren, wurde dieses im Bereich der vaskulären Nische über das Cre/loxP-System ausgeschaltet. Die Inaktivierung von zirkulierendem Fibronektin und Knochenmarks-Fibronektin in vivo hatte ein verlangsamtes Tumorwachstum zur Folge, welches auf eine um 22% verminderte Angiogenese zurückzuführen war. Im Gegensatz dazu beeinträchtigte die Ausschaltung des Osteoblasten-Fibronektins lediglich die frühen Entwicklungsstadien der Tumore. Diese Beobachtungen könnten einerseits mit der eingeschränkten Funktionsweise der Osteoblasten in Abwesenheit von Fibronektin erklärt werden, andererseits könnte der Einfluss auf das Fehlen osteoblastenspezifischer Fibronektin-Isoformen zurückgeführt werden, die die Metastasierung, Zelladhäsion, Proliferation und Motilität von Tumorzellen erhöhen. rnrnDie Deletion des Tumorzell-Fibronektins hatte eine durchschnittlich um 60% reduzierte Anzahl gebildeter Metastasen, ein eingeschränktes Tumorwachstum, hervorgerufen durch eine um 37% verminderte Blutgefäßanzahl, und letztendlich eine dreifache Verlängerung der mittleren Überlebensraten zur Folge. Die kombinierte Ausschaltung von lokalem Fibronektin und Tumorzell-Fibronektin vermochte den Einfluss auf die Etablierung und das Wachstum der Tumore zu verstärken. rnrnEin Drittel der Tiere, denen Metastasen induziert wurden, zeigten eine spontane Rückbildung der Tumore, ohne dass eine medizinische Intervention erfolgte. Dabei wurde zwischen einer kompletten Regression, bei der eine vollständige Rückbildung aller Tumore beobachtet werden konnte, und einer partiellen Regression, von der nur einzelne Tumore betroffen waren, unterschieden. Die spontane Regression war altersabhängig und trat 8-17 Wochen im Anschluss an die Applikation der Tumorzellen auf. Die vollständige Rückbildung der osteolytischen Knochenläsionen war mit dem Heilungsprozess des Knochengewebes verbunden, der sich in einer Verdichtung der Knochensubstanz äußerte. Erste Ergebnisse lieferten Hinweise darauf, dass die spontane Tumorregression auf eine mögliche Beteiligung von Granulozyten zurückzuführen war.rnrnZusammenfassend zeigten unsere Untersuchungen, dass sowohl Fibronektin der Mikroumgebung als auch Tumorzell-Fibronektin die Entwicklung und das Wachstum von Tumoren beeinträchtigte. Diese Arbeit lieferte erste Hinweise auf die Existenz eines sehr effektiven Mechanismus, der in Zusammenhang mit Fibronektin steht und dazu in der Lage ist, Tumorzellen selbst bei fortgeschrittenen Krebserkrankungen zu beseitigen. rn

Glykolytische Aktivität von Ovarialkarzinomzelllinien in vitro und in vivo und die Bedeutung von HIF-1alpha

Ovarialkarzinome stellen eine schwer zu therapierende onkologische Erkrankung mit im Durchschnitt sehr schlechter Prognose dar. Die Notwendigkeit einer weiteren Verbesserung der Therapie dieser Erkrankung ist sehr offensichtlich. Studien an anderen Tumorentitäten haben die große Bedeutung des Glukosestoffwechsels, speziell des Laktats, in der Erken- nung, Kategorisierung und Therapie von onkologischen Erkrankungen gezeigt. In der Kon- trolle des Glukosestoffwechsels, aber auch vieler anderer Funktionen, wie z. B. des Tumor- wachstums und des Zellüberlebens, hat sich der Hypoxia Inducible Factor (HIF) als beson- ders wichtig herausgestellt. In der vorliegenden Arbeit wurde daher der Glukosestoffwechsel in Ovarialkarzinomen und seine Beeinflussung durch eine Herunterregulierung von HIF-1α untersucht. Hierzu wurden die Ovarialkarzinomzelllinien OC 316 und IGROV1 (Wildtyp) und die Zelllinie OC 316 mit einem lentiviralen Vektor zur Herunterregulierung von HIF-1α ver- wendet. Das Wachstumsverhalten, die Laktatproduktion und der Glukoseverbrauch wurden bei diesen Zelllinien in vitro untersucht. Darüber hinaus wurden mithilfe der bildgebenden Biolumineszenz ATP, Laktat, Pyruvat und Glukose in Xenotransplantaten dieser Zelllinien gemessen. Diese in unserer Arbeitsgruppe entwickelte Methode erlaubt die quantitative Er- fassung von Metaboliten in selektiven Gewebsarealen, wie z. B. in vitalen Tumorregionen, in stomatösen Arealen oder im tumornahen Normalgewebe.rnIn dieser Arbeit kann gezeigt werden, dass die glykolytische Aktivität von Ovarialkarzinom- zelllinien mit dem Wachstumsverhalten positiv korreliert ist. Eine Herunterregulierung von HIF-1α führt zu einer deutlichen Verlangsamung des Zellwachstums, wobei allerdings alle HIF-Zielgene betroffen sein können. Des Weiteren wird mit den hier gezeigten Daten die prognostische Bedeutung des Laktats bestätigt. Hohe Laktatwerte in vitro waren mit schnel- lerem Wachstum korreliert. Zusätzlich zeigen die vorliegenden Daten, dass die gewonnenen Befunde in vitro nur näherungsweise auf die in vivo Situation übertragbar sind. Eine Herun- terregulierung von HIF-1α zeigt keine signifikant unterschiedlichen Laktatwerte in den Xe- notransplantaten. Allerdings spiegeln sich zelllinienspezifische Unterschiede in der metabo- lischen Aktivität in vitro im metabolischen Verhalten der entsprechenden Xenografttumoren recht gut wider.rnDie gewonnenen Ergebnisse weisen zum einen auf die prognostische Bedeutung einer Bestimmung von Laktatkonzentrationen aus Tumorbiopsien hin und bestätigen zum anderen die klinische Aussagekraft metabolischer Aktivitätsmessungen mittels PET. Solche Daten könnten dazu dienen Patienten einer individualisierten Therapie zuzuführen. Außerdem wur- de die Effektivität, aber auch die Komplexität einer gegen HIF-1α gerichteten Therapie auf Protein- und Genebene bestätigt. Somit zeigen die erzielten Resultate einerseits Möglichkei- ten einer individualisierten Therapie auf, andererseits unterstreichen sie die große Notwen- digkeit weiterer Grundlagenforschung auf diesem Gebiet.

Glukosestoffwechsel und Strahlentherapie solider, maligner Tumoren

Der Tumorstoffwechsel ist charakterisiert durch eine erhöhte Glykolyserate und die Anreicherung von Laktat auch in Anwesenheit von Sauerstoff. In früheren Arbeiten dieser Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass ein hoher Laktatgehalt in Primärtumoren signifikant mit einem gesteigerten Metastasierungsverhalten und einer schlechteren Patientenprognose verknüpft ist. Ein wichtiges Verfahren zur Bestimmung des Metabolitstatus in kryokonservierten Tumorschnitten ist die induzierte, metabolische Biolumineszenz. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues, digitales Kamerasystem für Biolumineszenzmessungen etabliert. Außerdem wurde der für die Laktat- und Glukosemessungen benötigte Enzymmix optimiert, so dass eine bessere Lichtausbeute und eine Kosteneinsparung von etwa 50% erzielt werden konnte. Durch die Einführung von Kontrollmessungen und die Verwendung eines neu entwickelten ImageJ-PlugIns für eine halbautomatisierte Auswertung, konnte ein zuverlässiges Messsystem etabliert werden, das Ergebnisse mit einer verbesserten Reproduzierbarkeit liefert. rnDieses neue Messsytem wurde in einer Studie an zehn humanen xenotransplantierten Plattenepithelkarzinomen des Kopf-Hals-Bereiches erfolgreich eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass eine signifikante, positive Korrelation zwischen dem Laktatgehalt in soliden Primärtumoren und der Resistenz gegenüber einer fraktionierten Strahlentherapie besteht. rnIn einer weiterführenden Studie wurde im gleichen Xenograftmodell der Einfluss einer fraktionierten Strahlentherapie auf den Tumorstoffwechsel untersucht. Der Vergleich von zwei humanen Plattenepithelkarzinomlinien des Kopf-Hals-Bereichs im Verlauf einer fraktionierten Strahlentherapie zeigt deutliche Unterschiede zwischen strahlenresistenten und strahlensensiblen Tumoren. In der strahlenempfindlichen Tumorlinie UT-SCC 14 treten nach Bestrahlung mit drei Fraktionen in der Expression glykolyse-assoziierter Gene und nach zehn Fraktionen im ATP- und Laktatgehalt signifikante Veränderungen auf. Im Gegensatz dazu wird bei der strahlenresistenten Linie UT-SCC 5 lediglich eine Absenkung des Laktatgehaltes nach zehn Fraktionen beobachtet, nicht jedoch des ATP-Gehalts. Die mRNA-Expression wird in UT-SCC 5 nicht durch eine fraktionierte Bestrahlung verändert. Diese Ergebnisse liefern erste Hinweise, dass das mRNA-Expressionslevel und der Metabolitgehalt frühe Marker für das Ansprechen auf eine Strahlentherapie sein können.rn

Characteristics, Distribution and Persistence of Thin Layers Over a 48 Hour Period

The biological and physical processes contributing to planktonic thin layer dynamics were examined in a multidisciplinary study conducted in East Sound, Washington, USA between June 10 and June 25, 1998. The temporal and spatial scales characteristic of thin layers were determined using a nested sampling strategy utilizing 4 major types of platforms: (1) an array of 3 moored acoustical instrument packages and 2 moored optical instrument packages that recorded distributions and intensities of thin layers; (2) additional stationary instrumentation deployed outside the array comprised of meteorological stations, wave-tide gauges, and thermistor chains; (3) a research vessel anchored 150 m outside the western edge of the array; (4) 2 mobile vessels performing basin-wide surveys to define the spatial extent of thin layers and the physical hydrography of the Sound. We observed numerous occurrences of thin layers that contained locally enhanced concentrations of material; many of the layers persisted for intervals of several hours to a few days. More than one persistent thin layer may be present at any one time, and these spatially distinct thin layers often contain distinct plankton assemblages. The results suggest that the species or populations comprising each distinct thin layer have responded to different sets of biological and/or physical processes. The existence and persistence of planktonic thin layers generates extensive biological heterogeneity in the water column and may be important in maintaining species diversity and overall community structure.

ICAM1 depletion reduces spinal metastasis formation in vivo and improves neurological outcome

INTRODUCTION Clinical treatment of spinal metastasis is gaining in complexity while the underlying biology remains unknown. Insufficient biological understanding is due to a lack of suitable experimental animal models. Intercellular adhesion molecule-1 (ICAM1) has been implicated in metastasis formation. Its role in spinal metastasis remains unclear. It was the aim to generate a reliable spinal metastasis model in mice and to investigate metastasis formation under ICAM1 depletion. MATERIAL AND METHODS B16 melanoma cells were infected with a lentivirus containing firefly luciferase (B16-luc). Stable cell clones (B16-luc) were injected retrogradely into the distal aortic arch. Spinal metastasis formation was monitored using in vivo bioluminescence imaging/MRI. Neurological deficits were monitored daily. In vivo selected, metastasized tumor cells were isolated (mB16-luc) and reinjected intraarterially. mB16-luc cells were injected intraarterially in ICAM1 KO mice. Metastasis distribution was analyzed using organ-specific fluorescence analysis. RESULTS Intraarterial injection of B16-luc and metastatic mB16-luc reliably induced spinal metastasis formation with neurological deficits (B16-luc:26.5, mB16-luc:21 days, p<0.05). In vivo selection increased the metastatic aggressiveness and led to a bone specific homing phenotype. Thus, mB16-luc cells demonstrated higher number (B16-luc: 1.2±0.447, mB16-luc:3.2±1.643) and increased total metastasis volume (B16-luc:2.87±2.453 mm3, mB16-luc:11.19±3.898 mm3, p<0.05) in the spine. ICAM1 depletion leads to a significantly reduced number of spinal metastasis (mB16-luc:1.2±0.84) with improved neurological outcome (29 days). General metastatic burden was significantly reduced under ICAM1 depletion (control: 3.47×10(7)±1.66×10(7); ICAM-1-/-: 5.20×10(4)±4.44×10(4), p<0.05 vs. control) CONCLUSION Applying a reliable animal model for spinal metastasis, ICAM1 depletion reduces spinal metastasis formation due to an organ-unspecific reduction of metastasis development.

An ultrasensitive NanoLuc-based luminescence system for monitoring Plasmodium berghei throughout its life cycle

BACKGROUND: Bioluminescence imaging is widely used for cell-based assays and animal imaging studies, both in biomedical research and drug development. Its main advantages include its high-throughput applicability, affordability, high sensitivity, operational simplicity, and quantitative outputs. In malaria research, bioluminescence has been used for drug discovery in vivo and in vitro, exploring host-pathogen interactions, and studying multiple aspects of Plasmodium biology. While the number of fluorescent proteins available for imaging has undergone a great expansion over the last two decades, enabling simultaneous visualization of multiple molecular and cellular events, expansion of available luciferases has lagged behind. The most widely used bioluminescent probe in malaria research is the Photinus pyralis firefly luciferase, followed by the more recently introduced Click-beetle and Renilla luciferases. Ultra-sensitive imaging of Plasmodium at low parasite densities has not been previously achieved. With the purpose of overcoming these challenges, a Plasmodium berghei line expressing the novel ultra-bright luciferase enzyme NanoLuc, called PbNLuc has been generated, and is presented in this work. RESULTS: NanoLuc shows at least 150 times brighter signal than firefly luciferase in vitro, allowing single parasite detection in mosquito, liver, and sexual and asexual blood stages. As a proof-of-concept, the PbNLuc parasites were used to image parasite development in the mosquito, liver and blood stages of infection, and to specifically explore parasite liver stage egress, and pre-patency period in vivo. CONCLUSIONS: PbNLuc is a suitable parasite line for sensitive imaging of the entire Plasmodium life cycle. Its sensitivity makes it a promising line to be used as a reference for drug candidate testing, as well as the characterization of mutant parasites to explore the function of parasite proteins, host-parasite interactions, and the better understanding of Plasmodium biology. Since the substrate requirements of NanoLuc are different from those of firefly luciferase, dual bioluminescence imaging for the simultaneous characterization of two lines, or two separate biological processes, is possible, as demonstrated in this work.

Elucidating the role of mesenchymal stem cell participation in the tumor microenvironment

To meet the requirements for rapid tumor growth, a complex array of non-neoplastic vascular, fibroblastic, and immune cells are recruited to the tumor microenvironment. Understanding the origin, composition, and mechanism(s) for recruitment of these stromal components will help identify areas for therapeutic intervention. Previous findings have suggested that ex-vivo expanded bone marrow-derived MSC home to the sites of tumor development, responding to inflammatory signals and can serve as effective drug delivery vehicles. Therefore, we first sought to fully assess conditions under which MSC migrate to and incorporate into inflammatory microenvironments and the consequences of modulated inflammation. MSC delivered to animals bearing inflammatory insults were monitored by bioluminescence imaging and displayed specific tropism and selective incorporation into all tumor and wound sites. These findings were consistent across routes of tumor establishment, MSC administration, and immunocompetence. MSC were then used as drug delivery vehicles, transporting Interferon β to sites of pancreatic tumors. This therapy was effective at inhibiting pancreatic tumor growth under homeostatic conditions, but inhibition was lost when inflammation was decreased with CDDO-Me combination treatment. Next, to examine the endogenous tumor microenvironment, a series of tissue transplant experiments were carried out in which tissues were genetically labeled and engrafted in recipients prior to tumor establishment. Tumors were then analyzed for markers of tumor associated fibroblasts (TAF): α-smooth muscle actin (α-SMA), nerve glia antigen 2 (NG2), fibroblast activation protein (FAP), and fibroblast specific protein (FSP) as well as endothelial marker CD31 and macrophage marker F4/80. We determined the majority of α-SMA+, NG2+ and CD31+ cells were non-bone marrow derived, while most FAP+, FSP+, and F4/80+ cells were recruited from the bone marrow. In accord, transplants of prospectively isolated BM MSC prior to tumor development indicated that these cells were recruited to the tumor microenvironment and co-expressed FAP and FSP. In contrast, fat transplant experiments revealed recruited fat derived cells co-expressed α-SMA, NG2, and CD31. These results indicate TAF are a heterogeneous population composed of subpopulations with distinct tissues of origin. These models have provided a platform upon which further investigation into tumor microenvironment composition and tests for candidate drugs can be performed. ^